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桥梁结构力学和美学分析

时间:2017-02-12 18:48:03 来源:论文投稿

0引言

现如今的桥梁不仅可以跨过大河、海洋,解决自然沟壑对人类出行带来的不便;也可以使道路在空间上进行分层,解决了城市用地紧张和交通流量大的问题。根据桥梁的组成部分可笼统的把桥梁分为上部结构和下部结构,根据各结构的构造类型和施工方法的不同,对桥体结构有一个分类的解析。

1桥梁基础

排除一些小型简易的桥梁不谈,桥梁基础由于地基的软弱、上部荷载作用力大的特点,使其所选用的基础形式并不多。在一些中小型桥梁上,有时可根据设计采用刚性扩大基础,这种基础属于浅基础的范畴,其施工工艺简单,工程造价也相对较低。工程中最常见的桥梁基础———桩基础,属于深基础的一种,由于它可以适应各种不同类型的地基,在荷载作用下沉降较小,并且在施工技术和造价方面有一定的优势,在市政工程的高架桥上、高速公路的架桥和跨越河流的大桥上都有很广泛的使用[1]。在一些特大桥梁或者地基软弱层太厚桥梁的建设上也会采取沉井基础和气压沉箱基础,1968年在南京长江大桥的建设中,工程师们发现,江水深度在40m左右时,江底的淤泥厚度已经超过了40m,因此在一部分基础的选取上采用了沉井基础,这种沉井基础做的很大,相当于一栋占地面积为一个篮球场大的14层楼房。气压沉箱基础由于具有在水下可以方便施工的优势,被世界上第一大悬索桥———日本名石海峡大桥在技术设计上所采用。这几种基础的使用,都是建立在使实际施工更为简单的基础上的,没有最好的基础形式,只有更适合实际的基础形式。

2桥墩与桥台

桥台和桥墩是整个桥梁的支撑结构,两者之间的区别在于:一个是在桥的端部,连接两岸的路堤;一个是位于桥梁之间只进行上部荷载的传递。桥台、桥墩和基础在一起称为桥的下部结构。桥台不仅要承受桥面上传递来的荷载,还要保证和它相连的路堤的稳定性,因此在设计施工时要进行多方面的考虑。桥台的高度往往不能太高,保持在20m以下,桥台根据形式的不同可分为实体式和埋置式。实体式桥台多建造成U形,这种桥台构造简单,施工方便,但自重过大,对地基有一定的影响,多用于埋土高度不大,桥跨稍大的桥梁。埋置式桥台由于埋于台前锥形溜坡内,只留台帽露出地面,因此增大了其抗拔性能,在桥台的建造时可以减小一定的体积[2]。埋置式桥台由于受到的是台后的主动土压力,所用的圬工量就会减少,但它的弊端在于溜坡的设置,溜坡会侵占一部分的河道,阻挡水的流动,为了解决这个问题往往会增加桥的长度,从而增加了工程的投入。埋置式桥台的溜坡会受到水流的冲刷,导致桥台的裸露,因此适用于桥头为浅滩的河床。当地基情况较好时,可将桥台设置为空心拱形,减少圬工和自重。

3桥跨的结构形式

桥跨结构被称为是桥梁的上部结构,根据桥跨结构形式的不同有几种常见的分类。3.1梁式桥最常见的桥梁形式是梁式桥,它根据梁的连续形式可分为简支梁、连续梁和悬臂梁桥,而简支梁桥应用的最为普遍。梁式桥的传力形式是垂直传力,在跨度上也比较小,普通混凝土简支梁桥的跨度在25m之内,预应力混凝土梁式桥跨度一般也不会大于50m。我国最大跨度的简支梁桥是1988年建成的飞云江桥,最大跨度已经达到62m。预应力混凝土连续梁桥在跨度上有较大的突破,我国最大跨度的连续梁桥是1991年建成的六库怒江桥,最大桥跨为154m。3.2拱式桥拱式桥的发展历史悠久,距今已有两千年。拱桥主要依靠拱圈或者拱梁把上部的垂直力变为作用在桥墩台上的水平推力,因此在桥墩台的建造时对基础的水平承载力要求较高。由于在拱圈内的弯矩较小,在跨径上就有了一定的优势,跨径大的拱桥,在外形上美学意义也更加突出。拱桥在修建时的施工难度相对较大,但是比较经济,在条件许可的情况下,往往就会选用拱桥[3]。拱桥根据拱圈位置的不同可分为三类:1)上承式拱桥是指拱圈在桥面的下方,行车和行人在拱的上面;2)中承式拱桥的拱被桥面分为上下两部分,桥面上的拱运用吊杆提拉桥面;3)下承式拱桥的拱全部设置在桥面上部,通过吊杆和泵杆与桥面进行连接。我国的拱桥技术无论在古代还是现代都是世界领先,古有赵州桥世界闻名,现有万县长江桥跨度为世界之最。3.3钢架桥钢架桥和梁式桥相似,只不过钢架桥的梁和桥墩是连接在一起的一个整体,它同时受到竖向荷载和水平推力的作用。钢架桥也有三种分类,根据形式不同各有优点:T形钢架桥便于预应力的施加;连续钢架桥的整体性好,抗震性能高;斜腿钢架桥形式美观,经济合理。钢架桥的跨中弯矩较小,可以据此降低钢架桥的建筑高度,为桥的纵坡设计、行船带来方便。这种桥基本都采用预应力混凝土,我国的黄石长江大桥、贵州六广大桥都是跨度超过240m的钢架桥。3.4斜拉桥斜拉桥由于在斜向拉力的计算上难度较大,因此出现的较晚。斜拉桥通过塔柱和斜索将主梁进行固定,桥面所受的所有荷载通过斜索的拉力传递给桥塔,因此斜索的抗拉性能要大,桥塔的受拉稳定性要高。斜索的布局有辐射式、竖琴式、扇形三种,桥塔的建设也有单塔、双塔和多塔的形式[4]。斜拉桥的自重轻,跨越能力很大,跨度在200m~1100m之间。3.5悬索桥悬索桥是所有桥梁中跨度最大的桥梁之一。在悬索桥中最主要的结构就是缆索,它通过吊杆连接桥面,承受桥面的竖向荷载,再通过桥塔把所承受的拉力传给河岸的锚定结构。缆索往往采用高强度的钢缆绳,锚定结构会做成埋深特别大的大体积混凝土结构。如今世界上跨度最大的桥梁就是日本的明石海峡悬索桥,最大桥跨为1991m。3.6综合体系桥桥梁的各种形式可以进行叠加构成综合体桥梁,这种桥梁把两种或者几种桥形式的优点结合起来,使桥梁的受力更加合理,外形也更为美观。在工程实践中,梁与拱的结合,钢桁架与钢拱的结合,斜拉与悬索的结合都得到了完美的效果。在将来的桥梁建设中,综合体系的桥梁将会有很广泛的使用[5]。

4桥梁的总体规划与设计

桥梁在修建时要进行桥位、桥型、纵横断面和桥跨分孔的规划。在保证桥梁安全稳定性的同时,做出最合理的经济规划;在保证使用畅通的前提下,要尽量做到美观与环保。随着科学技术的不断发展,人们对桥梁的追求不只是停留在安全方便上,对美的要求也在不断增加。桥梁设计难度的增加不仅要工程师们有一个专业知识过硬的大脑,还要求工程师们有一颗设计美、创造美的心。

作者:郭继祥 单位:中铁十二局集团第四工程有限公司


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